Детекторы ядерных излучений. Сцинтилляционный детектор Сцинтилляционный детектор неорганический сдн 64

Сцинтилляции - латинское слово - это вспышки видимого света, вызываемые в веществе заряженными частицами. Действие сцинтилляционного детектора основано на регистрации фотонов, испускаемых возбужденными атомами. Первый сцинтилляционный детектор, названный спинтарископом, представлял собой экран, покрытый слоем ZnS . Вспышки, возникавшие при попадании в него заряженных частиц, фиксировались с помощью микроскопа. Именно с таким детектором проведен опыт порассеянию альфа-частиц атомами золота, приведший к открытию атомного ядра.

Не каждый прозрачный материал годится в качестве сцинтиллятора, он должен быть прозрачен для собственного излучения. К таким относятся NaJ(Tl) , CsI , органические: антрацен (C 14 H 10), стильбен(C 14 H 12), нафталин(C 10 H 8). Регистрируемая заряженная частица попадает в кристалл и

тормозится в нем, возбуждая и ионизируя атомы. Последние, переходя в основное состояние, испускают фотоны. Все это за время порядка 10 -7 с. В хороших кристаллах несколько процентов энергии частицы переходит в световую. Кристалл в детекторе окружают отражателем так, что свет выходит только с одной стороны.

Для регистрации слабых световых вспышек используют фотоэлектронные умножители (ФЭУ) (рис.6). Создают оптический контакт между сцинтиллятором и торцом ФЭУ. Фотоны световой вспышки за счет фотоэффекта (см. лекцию) выбивают электроны из фотокатода (1), выполненного в виде тончайшей пленки на внутренней стороне колбы ФЭУ. Эти электроны фокусирующим электрическим полем направляются на промежуточный электрод (2), называемый динодом. Поверхность

динода покрыта материалом с большим коэффициентом вторичной электронной эмиссии. Каждый падающий электрон выбивает от 3 до 5 вторичных электронов. Всего динодов в ФЭУ более 10, что позволяет усиливать поток электронов в 10 5 и более раз. На аноде ФЭУ (8) возникает электрический импульс, который далее усиливается и регистрируется. Замечательной особенностью ФЭУ является хорошо соблюдаемая линейность усиления. Эквивалентная схема сцинтилляционного детектора изображена на рис.7. Уравнение, описывающее форму сигнала, приведено выше (см. формулу (1)). Зависимость тока от времени в этом уравнении определяется динамикой высвечивания сцинтиллятора и выглядит так

где τ - время высвечивания сцинтиллятора. Для неорганических сцинтилляторов это время порядка 10 -7 с, для органических - 10 -8 с, для пластических доходит до 10 -9 с. Амплитуда импульса при потере в сцинтилляторе энергии ΔE примерно равна

где η - световой выход сцинтиллятора (доля энергии, высвечиваемой в виде световой, для антрацена 0.05), ε - квантовый выход фотокатода ФЭУ (среднее число фотоэлектронов, выбиваемых на 1 фотон, величина порядка 0.1), K - коэффициент усиления ФЭУ (10 5 и более), hυ - средняя энергия фотонов, образуемых в сцинтилляторе, C - емкость анода ФЭУ относительно земли (величина порядка 20 пФ), e - заряд электрона. Если взять типовые значения для перечисленных величин и энергию частицы, потерянной в детекторе, 5 МэВ, то амплитуда

Рис.8 Типичная форма спектра Cs-137

получится порядка 10 вольт.

Энергетическое разрешение сцинтилляционных детекторов ΔE/E обычно не лучше нескольких процентов, так как на образование одного фотоэлектрона требуется энергия hν/(η·ε) , равная примерно 500 эВ (сравните с 30 эВ для ионизационной камеры).

Открытие протона в лаборатории Резерфорда (1919г.) произошло путем наблюдения сцинтилляций, вызванных частицами в ядерной реакции α + 14 N → p + 17 O . С помощью сцинтилляционных счетчиков можно измерять энергетические спектры электронов и γ -лучей (на рис.8 форма спектра для моноэнергетических γ -квантов). Они применяются для измерения мощности дозы β - и γ -излучений, а также нейтронов. Достоинства сцинтилляционных счетчиков: высокая эффективность регистрации различных частиц (практически 100%); быстродействие; возможность изготовления сцинтилляторов разных размеров и конфигураций; высокая надёжность.

Большие объёмы сцинтилляторов позволяют создавать детекторы очень высокой эффективности для регистрации частиц с малым сечением взаимодействия с веществом (известен детектор с кристаллом NaJ(Tl) диаметром 0.75 м и длиной 1.5 м, просматриваемый большим числом ФЭУ). В знаменитом опыте Райнеса и Коэна по открытию нейтрино (1956) использовались три жидкостных сцинтиллятора объемом 1400 литров каждый.

Лабораторная работа 3

ИЗУЧЕНИЕ ПРИНЦИПА ДЕЙСТВИЯ СЦИНТИЛЛЯЦИОННОГО ДЕТЕКТОРА

Цель работы : изучить основы сцинтилляционного метода регистрации излучения; изучить устройство сцинтилляционного детектора и определить эффективность регистрации гамма - излучения Cs - 137.

УСТРОЙСТВО СЦИНТИЛЛЯЦИОННОГО ДЕТЕКТОРА

Введение

Сцинтилляционный метод регистрации частиц – один из наиболее старых методов регистрации. Еще в 1919 г. в опытах по рассеянию заряженных частиц на ядрах Э. Резерфорд с сотрудниками регистрировали a-частицы, визуально наблюдая вспышки света в ZnS(Ag). Однако широкое развитие сцинтилляционный метод регистрации частиц получил лишь после изобретения фотоэлектронных умножителей – приборов, обладающих способностью регистрировать слабые вспышки света.

Один из первых фотоумножителей был построен в СССР в начале 40-х годов ХХ в. И с 1947 г. началось интенсивное развитие сцинтилляционного метода регистрации. Благодаря своей высокой эффективности сцинтилляционные детекторы и спектрометры получили применение в ядерной физике, биологии, геологии, медицине и в других отраслях науки и техники.

Основными элементами сцинтилляционного детектора являются сцинтиллятор, фотоэлектронный умножитель (ФЭУ ), оптическая система для сочленения сцинтиллятора и ФЭУ.

При взаимодействии с веществом сцинтиллятора заряженные частицы теряют свою энергию на возбуждение и ионизацию атомов cреды. Гамма-излучение, как излучение косвенно ионизирующее, само непосредственно ионизацию и возбуждение не производит: ионизируют и возбуждают атомы вещества сцинтиллятора электроны, образованные при взаимодействии γ-излучения с веществом сцинтиллятора. Возникающее при снятии возбуждения атомов излучение выходит из cреды в виде световых вспышек-сцинтилляций, число фотонов в которых зависит как от свойства и размеров сцинтиллятора, так и от вида частиц и энергии, передаваемой сцинтиллятору этими частицами.

Для регистрации этих сцинтилляций используется ФЭУ, преобразующий световые вспышки в электрические импульсы напряжения, поступающие далее в измерительный блок.

Основные характеристики сцинтилляторов

Сцинтилляторами обычно называют такие вещества, которые под действием ионизирующего излучения испускают фотоны в видимой или ультрафиолетовой части спектра. Причем при наличии большой вероятности испускания фотонов атомами и молекулами в возбужденных состояниях вероятность поглощения этих испущенных фотонов самим же сцинтиллирующим веществом должна быть мала: т. е. спектр испускания электромагнитного излучения должен быть сдвинут относительно спектра поглощения.

Все сцинтилляционные вещества можно разделить на три класса: на основе тех или иных органических соединений, неорганические кристаллы и газы.

Из органических соединений чаще всего применяются жидкие и твердые растворы ароматических соединений или монокристаллы антрацена, стильбена, толана и др.

Наиболее распространенными сцинтилляторами из неорганических кристаллов являются иодиты щелочных металлов, активированные таллием, и сульфид цинка, активированный серебром: NaJ(Tl), CsJ(Tl), ZnS(Ag). Чистые неактивированные криcталлы при комнатной температуре не обладают сцинтиллирующими свойствами.

С точки зрения регистрации излучений все сцинтилляторы, и органические и неорганические, должны удовлетворять некоторым требованиям как общего характера, так и специальным, обусловленным природой регистрируемых частиц.

Прежде всего вещество должно обладать высоким световым выходомc, определяемым как отношение среднего числа фотонов , возникающих в процессе одной сцинтилляции, к энергии , потерянной регистрируемой частицей в сцинтилляторе:

Так как практический интерес представляет число фотонов, выходящих из сцинтиллятора , то целесообразно ввести понятие внешнего светового выхода :

где – коэффициент выхода фотонов из сцинтиллятора. Необходимо отметить, что внешний световой выход зависит от величины сдвига спектров испускания и поглощения, т. е. от прозрачности сцинтиллятора по отношению к собственному излучению, а также от толщины сцинтиллятора, количества примесей, уменьшающих его прозрачность, от состояния его поверхностей и т. п. В идеальных, абсолютно прозрачных для собственного излучения сцинтилляторах =.

Кроме светового выхода можно ввести понятие энергетического выхода x, выражающего отношение энергии фотонов, возникающих в процессе одной сцинтилляции, к энергии Е , потерянной регистрируемой частицей в сцинтилляторе:

x = ,

где – средняя энергия фотонов сцинтилляции.

Процесс высвечивания сцинтилляции занимает конечное время. Так как время нарастания сцинтилляции значительно меньше времени спада (затухания сцинтилляции), то во всех практических случаях длительность сцинтилляции в целом можно характеризовать одной только постоянной времени t затухания процесса:

Величина t – время, в течение которого интенсивность высвечивания J падает в е раз. В экспериментах, где требуется высокое временное разрешение, сцинтилляторы выбираются с достаточно малым временем высвечивания.

Применяемые сцинтиллирующие неорганические кристаллы (NaJ(Tl), CsJ(Tl), LiJ(Sn), LiJ(Tl), ZnS(Ag) ) характеризуются большим световым выходом и временем высвечивания (порядка 10–4 – 10–7 с). Органические кристаллы (стильбен, антрацен и другие) характеризуются не только меньшим световым выходом, чем неорганические, но и меньшим временем высвечивания (порядка 10–8 – 10–9 с). Из органических сцинтиллирующих растворов обычно применяются паратерфенил в ксилоле.

Процессы, происходящие в фотоумножителях,

и основные их характеристики

Импульс cвета, возникающий в сцинтилляторе при прохождении ионизирующей частицы, с помощью фотоэлектронного умножителя преобразуется в электрический импульс.

Фотоэлектронный умножитель – это фотоэлемент с многократным усилением, которое основано на явлении вторичной электронной эмиссии. Он состоит из фотокатода 4 , фокусирующего устройства 5 , нескольких динодов 6 и анода 8 (рис. 1). Все электроды ФЭУ помещены в баллон с высоким вакуумом . Фотокатод выполнен в виде тонкого полупрозрачного слоя и находится на внутренней стороне торцевой стенки стеклянного баллона ФЭУ. Для увеличения коэффициента вторичной эмиссии диноды покрыты тонкой пленкой вещества с малой работой выхода для электронов.

При работе ФЭУ ко всем его электродам приложены определенные разности потенциалов. Проникая сквозь прозрачное стекло, кванты света вырывают из светочувствительного слоя фотокатода некоторое количество электронов. Фотоэлектроны, выходящие с разными скоростями и под разными углами к поверхности катода, ускоряются электрическим полем в вакууме и с помощью фокусирующей системы собираются на первом диноде умножителя.

1 – радиоактивный источник; 2 – сцинтиллятор; 3 – светопровод; 4 – фотокатод ФЭУ; 5 – фокусирующие электроды; 6 – диноды; 7 – фотоэлектроны; 8 – анод; 9 – делитель ФЭУ; 10 – сопротивление нагрузки.

При ударах электронов о первый динод происходит вторичная электронная эмиссия. Электроны, выбитые из первого динода, вновь ускоряются в следующем межэлектродном промежутке и, попадая на второй динод, вызывают в свою очередь вторичную электронную эмиссию со второго динода. Для характеристики электронной эмиссии вводится величина, называемая коэффициентом вторичной эмиссии s, представляющим собой число вторичных электронов, выбитых одним первичным электроном. Описанный процесс происходит последовательно на всех динодах, и в зависимости от свойств и числа динодов при s > 1 число электронов на последних динодах может превысить первоначальное число фотоэлектронов на несколько порядков. Электроны с последнего динода собираются на аноде фотоумножителя.

Физические явления, лежащие в основе работы ФЭУ – фотоэлектрический эффект и вторичная электронная эмиссия, носят статистический характер. Поэтому параметры ФЭУ также имеют статистическую природу и, говоря о них, будем подразумевать средние значения этих параметров.

Характеристики фотокатода образуют группу параметров ФЭУ. Из них наиболее важное значение имеют квантовый выход, спектральная характеристика, интегральная чувствительность.

Квантовый выход фотокатода e представляет собой вероятность вырывания одного фотоэлектрона фотоном, попавшим на фотокатод. При этом подразумевается, что падающий на фотокатод свет близок к монохроматическому. Квантовый выход зависит от длины волны падающего света, материала фотокатода и его толщины. Численно он обычно выражается в процентах.

Зависимость e от длины волны l падающего света носит название спектральной характеристики фотокатода и обозначается e(l).

Практически существенно не только число фотонов, испускаемых сцинтиллятором, но и степень перекрытия внешнего оптического спектра сцинтилляции со спектральной характеристикой e(n) данного ФЭУ, определяемая коэффициентом согласования:

.

Интегральная чувствительность фотокатода представляет собой отношение фототока к падающему на фотокатод световому потоку при освещении фотокатода источником белого света с определенной цветовой температурой.

Сбор фотоэлектронов на первый динод характеризуется коэффициентом сбора l , который может принимать значения от 0 до 100 %.

Умножительная система ФЭУ характеризуется коэффициентом усиления М . Последний определяется как отношение величины тока на выходе ФЭУ к его величине на входе умножительной системы. Коэффициент усиления ФЭУ равен: где a – коэффициент, определяющий долю электронов, попадающих с одного динода на другой; – коэффициент вторичной эмиссии i -го динода.

Необходимо отметить, что коэффициент вторичной эмиссии s зависит не только от материала и состояния поверхности динода, но и от энергии первичных электронов, т. е. от ускоряющей разности потенциалов, приложенной к двум соседним динодам: с увеличением энергии электронов s вначале растет, а затем выше энергии 100 – 1000 эВ (в зависимости от материала) падает. Физически такое поведение можно объяснить следующим. Первичные электроны, попадая в материал динода, в результате упругих и неупругих соударений передают свою энергию многим электронам среды. Чем выше энергия первичного электрона, тем большему числу электронов он передает свою энергию. Но чем выше энергия первичного электрона, тем на большую глубину он проникает и, следовательно, тем на большей глубине в материале приобретают энергию вторичные электроны. Последние могут покинуть материал динода только в том случае, если они образовались на глубине, которая меньше длины своего пробега в данном материале.

Зависимость коэффициента усиления М от напряжения питания приведена на рис. 2 (литературные данные).

Рис. 2. Зависимость коэффициента усиления ФЭУ

от разности потенциалов между динодами для числа динодов n = 10 и σmax = 10

При высоких значениях мгновенных токов, обусловленных или очень большим коэффициентом усиления М , или очень большой интенсивностью вспышки, сказывается влияние объемного заряда, искажающего поле в области анода и последних динодов (пунктирная линия). Для некоторых ФЭУ этот эффект заметен при токах на аноде ~ 1 мА.

Произведение коэффициента усиления ФЭУ на коэффициент сбора на первый динод и на интегральную чувствительность фотокатода называется общей чувствительностью ФЭУ.

Если даже на фотокатод ФЭУ не падает световой поток, на выходе ФЭУ все-таки наблюдается некоторый ток, называемый темновым. Причиной этого являются термоэлектронная эмиссия с поверхности фотокатода и первых динодов, автоэлектронная холодная эмиссия, радиоактивность материала , из которого изготовлен ФЭУ, и ряд других причин.

РАБОТА СЦИНТИЛЛЯЦИОННОГО ДЕТЕКТОРА

Сборка сцинтилляционного детектора заключается в рациональном сочленении сцинтиллятора и фотоумножителя, которое обеспечило бы при наибольшем отношении амплитуд импульсов, вызванных радиоактивным источником и темновым током, наилучшую разрешающую способность детектора как по амплитудам, так и по времени. Сцинтиллятор, имеющий обычно форму цилиндра, устанавливается перед фотокатодом умножителя (см. рис. 1). Так как коэффициент преломления света для большинства сцинтилляторов довольно велик, значительная часть света, возникающего в сцинтилляторе, испытывает на его поверхности полное внутреннее отражение. Поэтому для обеспечения хорошего оптического контакта (и, следовательно, для повышения светосбора) между сцинтиллятором и фотокатодом вводится тонкий слой вещества с меньшим показателем преломления (силиконовое или вазелиновое масло).

Радиоактивное излучение, падающее на сцинтиллятор, вызывает в нем вспышки – сцинтилляции. Световые кванты, попадая на фотокатод ФЭУ, выбивают фотоэлектроны, которые дают начало лавине. В момент прихода электронной лавины на анод ФЭУ на выходном нагрузочном сопротивлении возникает импульс напряжения.

Межэлектродные разности потенциалов задаются обычно с помощью делителя напряжения от высоковольтного источника питания. Изменяя напряжение, питающее делитель, можно варьировать в широких пределах коэффициент усиления ФЭУ. С увеличением напряжения на делителе ФЭУ коэффициент усиления быстро возрастает. Причиной этого является увеличение коэффициента вторичной эмиссии, а также некоторое улучшение фокусировки.

При измерении числа частиц очень важен параметр, который характеризует вероятность создания на выходе детектора электрического импульса при попадании частицы в детектор. Такой параметр носит название эффективности регистрации детектора h, определяющейся как отношение числа электрических импульсов, зарегистрированных на выходе детектора в единицу времени, к числу частиц, попавших в детектор за то же время. Эффективность регистрации является функцией как энергии и вида исследуемого излучения, так и размеров и типа детектора. Основным требованием к сцинтилляционным детекторам, как и ко всем детекторам вообще, является высокая эффективность регистрации. Как известно, сечения фотоэффекта и комптон-эффекта тем выше, чем больше Z вещества.

Достоинством сцинтилляционных детекторов является тот факт, что их эффективность регистрации для косвенно ионизирующих излучений (g-излучение, рентгеновское излучение) благодаря большому Z сцинтилляторов на целый порядок превосходит эффективность регистрации газоразрядных счетчиков. В литературе указывается, что в случае γ-излучения для кристаллов NaJ(Tl) небольших размеров она составляет приблизительно 17 %.

Одним из основных требований к детекторам является малое время разрешения (оно определяет тот минимальный временной интервал между двумя последовательными частицами, которые детектор может зафиксировать раздельно). В сцинтилляционном детекторе при использовании неорганических кристаллов, время высвечивания которых сравнительно велико и составляет десятые доли микросекунды и больше, временные свойства фотоумножителя практически не играют никакой роли, и время разрешения всего сцинтилляционного детектора будет определяться временем высвечивания кристалла. При работе же с органическими сцинтилляторами (и особенно с жидкими и твердыми растворами), где время высвечивания очень мало, время разрешения фотоумножителя может оказаться сравнимым со временем высвечивания сцинтиллятора и при расчете разрешающей способности детектора по времени должно быть учтено.

Достоинством сцинтилляционного детектора является то, что его время разрешения на несколько порядков меньше времени разрешения газоразрядных детекторов. Применение сцинтилляционных детекторов в схемах совпадений с высокой разрешающей способностью открыло новые перспективы при исследовании разного рода одновременных процессов.

Кроме того, нужно отметить, что поскольку коэффициент вторичной эмиссии не зависит от числа падающихэлектронов, то ФЭУ представляет собой линейный прибор , т. е. заряд на аноде пропорционален числу первичных фотоэлектронов и соответственно интенсивности световой вспышки, попавшей на катод. А так как обычно энергия, потерянная частицей в кристалле, пропорциональна интенсивности световой вспышки, то амплитуда импульса на выходе ФЭУ пропорциональна потерянной энергии частицы. Это позволяет создавать на основе сцинтилляционного детектора различные приборы для измерения энергии радиоактивного излучения, что невозможно при использовании гейгеровских счетчиков. И только, когда импульсы на выходе ФЭУ достаточно велики, линейность может нарушаться, как было указано выше, за счет искажения поля пространственнымзарядом в области анода и последних динодов.

Важным моментом перед тем, как начинать измерения, является правильный подбор напряжения питания ФЭУ. В радиометрических измерениях , когда производится счет импульсов, для этих целей чаще всего используется счетная характеристика, т. е. зависимость скорости счета импульсов на выходе детектора n от напряжения питания ФЭУ U (рис. 3).

Как видно из рис. 3, с ростом напряжения питания U величина n вначале растет, а далее становится постоянной. Это объясняется тем, что при малых величинах U значение коэффициента усиления ФЭУ М также мало. В результате амплитуда импульсов на выходе ФЭУ незначительна по величине и может оказаться ниже порога чувствительности регистрирующего устройства. В таком случае импульсы не будут зарегистрированы. С увеличением напряжения U растет коэффициент усиления М и амплитуда импульсов увеличивается настолько, что может превысить порог чувствительности регистрирующего устройства. В этот момент на пересчетном устройстве начинается счет импульсов.

Рис. 3. Счетная характеристика

При дальнейшем увеличении U еще бόльшая доля импульсов будет иметь амплитуду, превышающую порог чувствительности, что даст еще большее увеличение скорости счета n .

Дальнейшее повышение напряжения питания может привести к тому, что скорость счета импульсов n станет почти постоянной и не будет зависеть от величины U , так как амплитуды почти всех импульсов, поступающих с детектора, превышают порог чувствительности и почти все импульсы регистрируются.

При очень больших напряжениях U скорость счета n может резко возрасти из-за того, что амплитуда шумовых импульсов ФЭУ тоже становится очень большой.

Выделенная на рис. 3 область плато, где величина n слабо зависит от напряжения питания U , используется для подбора напряжения питания; обычно рабочее напряжение выбирают на середине плато.

Критерием же оптимального рабочего напряжения в спектрометрических измерениях является высокое энергетическое разрешение. Известно, что энергетическое разрешение детектора тем выше, чем выше коэффициент усиления ФЭУ М , т. е. чем больше величина напряжения питания U .

РЕГИСТРАЦИЯ g -КВАНТОВ

СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫМ ДЕТЕКТОРОМ

При работе со сцинтилляционным детектором, предназначенным для решения той или иной физической задачи, следует учесть одно очень важное специфическое обстоятельство: поскольку свойства излучений, подлежащих регистрации, в том или ином случае могут быть резко различны, особое внимание необходимо уделить рациональному выбору сцинтиллятора, конкретные свойства которого должны наилучшим образом отвечать поставленной задаче. К фотоумножителю особых требований, связанных со спецификой самого регистрирующего излучения, обычно не предъявляется.

При регистрации g-излучения выбор сцинтиллятора определяется требованием высокой эффективности, так как g-излучение – излучение проникающее. Для узкого параллельного моноэнергетического пучка g-квантов, падающих нормально на сцинтиллятор толщиной х , эффективность регистрации η определяется как отношение числа зарегестрированных частиц к числу падающих на детектор частиц:

где t – коэффициент поглощения g-квантов в веществе сцинтиллятора, зависящий от энергии излучения и среднего эффективного заряда вещества сцинтиллятора Z .

С увеличением величина t (и, следовательно, η) падает; c увеличением значений Z коэффициент поглощения g-квантов t (и, следовательно, эффективность регистрации η) растет. Поэтому в сцинтилляционных детекторах для регистрации g-квантов используются в основном неорганические кристаллы с большим атомным номером Z .

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Порядок проведения эксперимента

На рис. 4 приведена схема радиоактивного распада изотопа Сs-137, изпользуемого в данной лабораторной работе .

Рис.4. Схема радиоактивного распада изотопа Cs-137

Амплитудные спектры, измеренные во время эксперимента с использованием изотопа Cs-137, имеют вид, изображенный на рис. 5.

При неправильном выборе режима работы спектрометра форма этих спектров может быть значительно искажена, поэтому важно тщательно подбирать уровень питания ФЭУ U , коэффициент усиления усилителя K, верхний и нижний пороги дискриминатора ДВУ и ДНУ.

При изменении напряжения питания ФЭУ U изменяется его коэффициент усиления М . В результате изменяется величина амплитуды выходного сигнала А и, следовательно, положение максимума пика полного поглощения . Поэтому изучение зависимости величины амплитуды импульса на выходе детектора А от величины напряжения питания ФЭУ можно свести к изучению зависимости положения максимума пика полного поглощения от величины напряжения питания.

Рис. 5. Амплитудный спектр импульсов на выходе детектора

Включить компьютер. Включить блок спектрометра; открыть программу «Спектр».

После регистрации войти в режим спектрометра и задать на его панели рабочий режим.

Установить время накопления спектра t = 150 с. Набрать амплитудные спектры выходных импульсов при различных величинах напряжения питания ФЭУ.

Cпектры записать в файлы.

Результаты измерений запишутся на диске D. Путь, по которому можно найти записанные данные, следующий: Диск D ® папка «3 курс» ® папка «Данные» ® папка «Студенты» ® папка с фамилией студента ® номер лабораторной работы ® номер задания ® номер спектра.

Обработка результатов

Изучение зависимости амплитуды

выходных импульсов детектора

от величины напряжения питания ФЭУ

Задание 1. Ввести в Mathcad файлы данных со спектрами S 001–S 010. Присвоить название векторной переменной, описывающей спектр;определить номер канала как ранжированную переменную k , изменяющуюся от 0 до 1023. Построить амплитудные спектры.

Задание 2. Выделить в полученных спектрах пики полного поглощения; с помощью операции Trace провести грубые оценки положения максимума пика полного поглощения на шкале амплитуд, дисперсии , левой и правой границ пика. Оценить площадь под пиком.

Задание 3. Аппроксимировать пик полного поглощения функцией Гаусса; найти точные значения номера канала , соответствующего положению максимума пика полного поглощения.

Задание 4. Построить зависимость от величины напряжения питания ФЭУ U (см. рис. 6); объяснить ход зависимости от величины напряжения питания. Сравнить с литературными данными. Выбрать рабочее напряжение ФЭУ для дальнейшей работы.

Рис. 6. Зависимость положения максимума пика полного поглощения k 0

от величины напряжения питания U

Определение эффективности регистрации детектора γ-излучения

Задание 5. Используя спектр, измеренный, например, при уровне питания ФЭУ U = 550 В и коэффициент усиления K = 1, вычислить площадь под всем спектром Р и найти число импульсов, зарегистрированных детектором за 1 с: n = P /150.

Задание 6. Зная активность используемого радиоактивного изотопа Cs-137, определить эффективность регистрации γ-излучения Cs-137:

где – число γ-квантов, падающих на поверхность сцинтиллятора за 1с;

Число 0,85 – вводится как поправка на схему распада (см. схему распада, приведенную на рис. 5). – активность радиоактивного источника; = 120 кБк. Ω – относительный телесный угол, под которым детектор облучается источником. Это угол зависит от радиуса сцинтиллятора s и от расстояния между источником и сцинтиллятором h.

.

Дать оценку полученному результату; сравнить с литературными данными.

Определение фоточасти и фотоэффективности регистрации

Задание 7. Выделить пик полного поглощения в амплитудном спектре, используемом в задании 5, вычислить его площадь . Определить фоточасть как отношение площади под фотопиком к площади под всем спектром Р (значение Р взять из задания 5).

Задание 8. Определить фотоэффективность регистрации γ-излучения, как произведение эффективности регистрации, умноженной на фоточасть:

.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Объяснить процессы, происходящие в сцинтилляторе, и перечислить основные параметры сцинтиллятора.

2. На каких двух физических явлениях основана работа фотоэлектронного умножителя?

3. Перечислить основные параметры фотоэлектрических умножителей.

4. Что такое эффективность регистрации детектора? От каких параметров детектора и излучения она зависит? Что такое фоточасть и фотоэффективность?

5. Охарактеризовать особенности регистрации γ-излучения.

Первый сцинтилляционный детектор, названный спинтарископом, представлял собой экран, покрытый слоем ZnS. Вспышки, возникавшие при попадании в него заряженных частиц, фиксировались с помощью микроскопа. Именно с таким детектором Гейгер и Марсден в 1909 г. провели опыт по рассеянию альфа-частиц атомами золота, приведший к открытию атомного ядра. Начиная с 1944 г. световые вспышки от сцинтиллятора регистрируют фотоэлектронными умножителями (ФЭУ). Позже для этих целей стали использовать также фотодиоды.
Сцинтиллятор может быть органическим (кристаллы, пластики или жидкости) или неорганическим (кристаллы или стекла). Используются также газообразные сцинтилляторы. В качестве органических сцинтилляторов часто используются антрацен (C 14 H 10), стильбен (C 14 H 12), нафталин (C 10 H 8). Жидкие сцинтилляторы обычно известны под фирменными именами (например NE213). Пластиковые и жидкие сцинтилляторы представляют из себя растворы органических флуоресцирующих веществ в прозрачном растворителе. Например, твердый раствор антрацена в полистироле или жидкий раствор р-терфенила в ксилоле. Концентрация флуоресцирующего вещества обычно мала и регистрируемая частица возбуждает в основном молекулы растворителя. В дальнейшем энергия возбуждения передается молекулам флуоресцирующего вещества. В качестве неорганических кристаллических сцинтилляторов используются ZnS, NaI(Tl), CsI, Bi 4 Ge 3 O 12 ,
LaBr 3 (Ce), PbWO 4 и др. В качестве газовых и жидких сцинтилляторов используют инертные газы (Xe, Kr, Ar, He) и N.

Так как в органических сцинтилляторах возбуждаются молекулярные уровни, которые излучают в ультрафиолетовой области для согласования со спектральной чувствительностью регистрирующих свет устройств (ФЭУ и фотодиодов) используются светопреобразователи, которые поглощают ультрафиолетовое излучение и переизлучают видимый свет в области 400 нм.
Световой выход - доля энергии регистрируемой частицы конвертируемая в энергию световой вспышки. Световой выход антрацена ~0.05 или 1 фотон на 50 эВ для частиц высокой энергии. У NaI световой выход ~0.1 или 1 фотона на 25 эВ. Принято световой выход данного сцинтиллятора сравнивать со световым выходом антрацена, который используется как стандарт. Типичные световые выходы пластиковых сцинтилляторов 50-60%.
Интенсивность световой вспышки пропорциональна энергии, потерянной частицей, поэтому сцинтилляционный детектор может использоваться в качестве спектрометра, т. е. прибора, определяющего энергию частицы.
С помощью сцинтилляционных счетчиков можно измерять энергетические спектры электронов и γ -лучей. Для измерения спектров тяжелых заряженных частиц (α -частицы и др.) обычно используют CsI. По сравнению с NaI, он существенно менее гигроскопичен и не требует защитного кожуха, в котором заряженные частицы теряют свою энергию. Энергетическое разрешение CsI заметно хуже, чем у полупроводниковых детекторов, кроме того пропорциональность интенсивности вспышки потерянной энергии у сцинтилляторов наблюдается не при всяких энергиях частиц и проявляется только при значениях энергии, больших некоторой величины. Нелинейная связь амплитуд импульсов с энергией частицы различна для различных люминофоров и для различных типов частиц. CsI применяется, когда требуются измерения энергий заряженных частиц довольно больших энергий, а энергетическое разрешение не играет существенной роли.
В физике высокой энергии нашли применение сцинтилляторы из вольфрамата свинца (PbWO 4). Небольшая радиационная длина (0.89 см) и малый мольеровский радиус (2.19 см) – радиус цилиндрав пределах которого поглощается 90% электромагнитного ливня – позволяет сделать детектор с таким сцинтиллятором компактным с хорошим пространственным разрешением. PbWO 4 в частности был использован для сильно секционированного (17920 каналов детектирования) калориметра – фотонного детектора PHOS детекторного комплекса ALICE на Большом адронном коллайдере.

Рис. 3. Устройство ФЭУ

Фотоны, возникшие в сцинтилляторе под действием заряженной частицы, по световоду достигают ФЭУ и через его стеклянную стенку попадают на фотокатод. ФЭУ представляет собой баллон, внутри которого в вакууме располагается фотокатод и система последовательных динодов, находящихся под положительным увеличивающемся от динода к диноду электрическим потенциалом. В результате фотоэффекта из фотокатода вылетают электроны, которые затем, ускоряясь в электрическом полем, направляются на систему динодов, где за счет вторичной (ударной) электронной эмиссии образуют нарастающую от динода к диноду электронную лавину, поступающую на анод. Обычно коэффициент усиления ФЭУ (число электронов, достигших анода при выбивании из фотокатода одного электрона) составляет 10 5 -10 6 , но может достигать и 10 9 , что позволяет получить на выходе ФЭУ легко регистрируемый электрический импульс.
Энергетическое разрешение сцинтилляционных детекторов ΔЕ/Е обычно не лучше нескольких процентов. Временное разрешение зависит от длительности световой вспышки (времени высвечивания люминофора), от длительности фронта световой вспышки, а также от количества фотоэлектронов (от энергии оставленной частицей в сцинтилляторе) и меняется в пределах 10 -6 -10 -11 с.
Большие объёмы сцинтилляторов позволяют создавать детекторы очень высокой эффективности, для регистрации частиц с малым сечением взаимодействия с веществом.

Сцинтилля́торы - вещества, обладающие способностью излучать свет при поглощении ионизирующего излучения (гамма-квантов , электронов , альфа-частиц и т. д. ). Как правило, излучаемое количество фотонов для данного типа излучения приближённо пропорционально поглощённой энергии, что позволяет получать энергетические спектры излучения. Сцинтилляционные детекторы ядерных излучений - основное применение сцинтилляторов. В сцинтилляционном детекторе свет, излученный при сцинтилляции, собирается на фотоприёмнике (как правило, это фотокатод фотоэлектронного умножителя - ФЭУ , значительно реже используются фотодиоды и другие фотоприёмники), преобразуется в импульс тока, усиливается и записывается той или иной регистрирующей системой.

Характеристики сцинтилляторов [ | ]

Световыход [ | ]

Световыход - количество фотонов, излучаемых сцинтиллятором при поглощении определённого количества энергии (обычно 1 МэВ ). Большим световыходом считается величина 50-70 тыс. фотонов на МэВ. Однако для детектирования высокоэнергичных частиц могут использоваться и сцинтилляторы со значительно меньшим световыходом (например, вольфрамат свинца).

Спектр высвечивания [ | ]

Спектр высвечивания должен быть оптимально согласован со светочувствительностью используемого фотоприёмника, чтобы не терять лишний свет. Несогласованный с чувствительностью приёмника спектр высвечивания негативно сказывается на энергетическом разрешении.

Энергетическое разрешение [ | ]

Даже при поглощении частиц с одинаковой энергией амплитуда импульса на выходе фотоприёмника сцинтилляционного детектора меняется от события к событию. Это связано 1) со статистическим характером процессов сбора фотонов на фотоприёмнике и последующего усиления, 2) с различной вероятностью доставки фотона к фотоприёмнику из разных точек сцинтиллятора, 3) с разбросом высвечиваемого числа фотонов. В результате в набранном спектре линия (которая для идеального детектора представляла бы дельта-функцию) оказывается размытой, её часто можно представить в виде гауссианы с дисперсией σ 2 . В качестве характеристики энергетического разрешения детектора используются сигма (квадратный корень из дисперсии) и, чаще, полная ширина линии на половине высоты (FWHM, от англ. Full Width on Half Maximum ; иногда называется полушириной), отнесённые к медиане линии и выраженные в процентах. FWHM гауссианы в 2 2 ln ⁡ 2 ≈ 2 , 355 {\displaystyle 2{\sqrt {2\ln 2}}\approx 2,355} раза больше σ . Поскольку энергетическое разрешение зависит от энергии (как правило, оно пропорционально E −1/2), его следует указывать для конкретной энергии. Чаще всего разрешение указывают для энергии гамма-линии цезия-137 (661.7 кэВ ).

Время высвечивания [ | ]

Типичная кривая высвечивания неорганического сцинтиллятора, возбуждённого поглощением быстрой заряженной частицы. После кратковременной яркой вспышки свечение относительно медленно затухает.

Время, в течение которого поглощённая в сцинтилляторе, возбуждённого прохождением быстрой заряженной частицы энергия преобразуется в световое излучение, называют временем высвечивания. Зависимость высвечивания сцинтилляторов от времени с момента поглощения частицы (кривая высвечивания) обычно может быть представлена как убывающая экспонента или, в общем случае, как сумма нескольких убывающих экспонент:

I ∼ ∑ i A i exp ⁡ (− t / τ i) {\displaystyle \displaystyle I\sim \sum _{i}A_{i}\exp(-t/\tau _{i})}

Слагаемое в формуле с наибольшей амплитудой A i {\displaystyle \displaystyle A_{i}} и постоянной времени τ i {\displaystyle \tau _{i}} характеризует общее время высвечивания сцинтиллятора. Почти все сцинтилляторы после быстрого высвечивании имеют медленно спадающий «хвост» послесвечения, что зачастую является недостатком, с точки зрения временного разрешения, скорости счёта регистрируемых частиц.

Обычно сумму многих экспонент в приведённой формуле с достаточной для практики точностью можно представить в виде суммы двух экспонент:

I = A exp ⁡ (− t τ f) + B exp ⁡ (− t τ s) {\displaystyle I=A\exp \left(-{\frac {t}{{\tau }_{f}}}\right)+B\exp \left(-{\frac {t}{{\tau }_{s}}}\right)}

где τ f {\displaystyle \tau _{f}} постоянная времени «быстрого» высвечивания, τ s {\displaystyle \tau _{s}} постоянная времени «медленного» высвечивания, A {\displaystyle A} и B {\displaystyle B} - амплитуды свечения и послесвечения соответственно.

Амплитуды свечения и послесвечения зависят от энергии, поглощённой в сцинтилляторе, ионизирующей способности быстрых частиц и гамма-квантов. Например, в сцинтилляторах изготовленных из легированного фторида бария амплитуда свечения, вызванного поглощением гамма-кванта существенно превышает амплитуду свечения, вызванного поглощением альфа-частицы , при поглощении которой наоборот, превалирует амплитуда послесвечения. Это явление позволяет различать природу ионизирующего излучения.

Типичное время высвечивания неорганических сцинтилляторов - от сотен наносекунд до десятков микросекунд. Органические сцинтилляторы (пластиковые и жидкие) высвечиваются в течение наносекунд.

Радиационная прочность [ | ]

Облучаемые сцинтилляторы постепенно деградируют. Доза облучения, которую может выдержать сцинтиллятор без существенного ухудшения свойств, называется радиационной прочностью.

Квенчинг-фактор [ | ]

Частицы разной природы, но с одинаковой энергией при поглощении в сцинтилляторе дают, вообще говоря, различный световыход. Частицы с высокой плотностью ионизации (протоны , альфа-частицы, тяжёлые ионы , осколки деления) дают в большинстве сцинтилляторов меньшее количество фотонов, чем гамма-кванты, бета-частицы , мюоны или рентген . Отношение световыхода данного типа частиц к световыходу гамма-квантов с равной энергией называется квенчинг-фактором (от англ. quenching - «тушение»). Квенчинг-фактор электронов (бета-частиц) обычно близок к единице. Квенчинг-фактор для альфа-частиц называют α/β -отношением; для многих органических сцинтилляторов он близок к 0,1.

Неорганические сцинтилляторы [ | ]

Чаще всего в качестве сцинтилляторов используются неорганические монокристаллы. Иногда для увеличения световыхода в кристалл вводят так называемый активатор (или допант). Так, в сцинтилляторе NaI(Tl) в кристаллической матрице иодида натрия содержатся активирующие центры таллия (примесь на уровне сотых долей процента). Сцинтилляторы, которые светятся без активатора, называются собственными .

Сцинтилляторы

	Время высвечивания, мкс	Максимум спектра высвечивания, нм	Коэффициент эффективности (по отношению к антрацену)	Примечание
NaI ()	0,25	410	2,0	гигроскопичен
CsI ()	0,5	560	0,6	фосфоресценция
LiI ()	1,2	450	0,2	очень гигроскопичен
LiI ()				очень гигроскопичен
ZnS ()	1,0	450	2,0	порошок
CdS ()	1,0	760	2,0	небольшие монокристаллы

Неорганические керамические сцинтилляторы [ | ]

Прозрачные керамические сцинтилляторы получают из прозрачных керамических материалов на базе оксидов Al 2 O 3 (Лукалокс), Y 2 O 3 (Иттралокс) и производных оксидов Y 3 Al 5 O 12 и YAlO 3 , а также MgO, BeO.

Органические сцинтилляторы [ | ]

Органические сцинтилляторы обычно представляют собой двух- − трёхкомпонентные смеси. Первичные центры флуоресценции возбуждаются за счёт потери энергии налетающими частицами. При распаде этих возбуждённых состояний излучается свет в ультрафиолетовом диапазоне длин волн. Длина поглощения этого ультрафиолета, однако, весьма мала: центры флуоресценции непрозрачны для их собственного излученного света.

Вывод света осуществляется добавлением к сцинтиллятору второго компонента, поглощающего первично излученный свет и переизлучающего его изотропно с большими длинами волн (так называемого сместителя спектра, или шифтера).

Две активных компоненты в органических сцинтилляторах или растворяются в органической жидкости или смешиваются с органическим материалом так, чтобы образовать полимерную структуру. При такой технологии можно производить жидкий или пластиковый сцинтиллятор любой геометрической формы. В большинстве случаев изготавливаются листы сцинтиллятора толщиной от 1 до 30 мм.

Органические сцинтилляторы имеют гораздо меньшие времена высвечивания (порядка единиц - десятков наносекунд) по сравнению с неорганическими, но имеют меньший:

Также существуют другие органические сцинтилляторы, например американской компании. Сцинтилляторы Bicron BC 400…416 производятся на основе.

Газовые сцинтилляторы [ | ]

Газовые сцинтилляционные счетчики используют свет, излученный атомами, которые возбуждаются в процессе взаимодействия с ними заряженных частиц и затем возвращаются в основное состояние. Времена жизни возбужденных уровней лежат в наносекундном диапазоне. Световыход в газовых сцинтилляторах в силу их низких плотностей сравнительно невысок. Однако в качестве газовых сцинтилляторов могут также применяться сжиженные инертные газы.